第四十五屆中小學(xué)科學(xué)展會(huì)作品說(shuō)明書(shū)科別：物理科組別：高中組作品名稱：液體介面性質(zhì)的研究與討論關(guān)鍵詞：內(nèi)聚力、附著力、接觸角編號(hào)：

壹、摘要偶而在池塘邊可以看見(jiàn)一些水蜘蛛在水面上行走，心想牠們一定是練就了一身如同武俠小說(shuō)中－水上漂的好本領(lǐng)，但是為何我們?nèi)祟惥蜔o(wú)法達(dá)到呢？經(jīng)過(guò)這幾年來(lái)，我們?cè)谧匀豢茖W(xué)中所學(xué)，知道那是由水面的表面現(xiàn)象所造成。而表面現(xiàn)象種類繁多，作用結(jié)果也有很多的變化。本實(shí)驗(yàn)主要的內(nèi)容，便是為了探討液體與介面之間，內(nèi)聚力與附著力的變化關(guān)係。實(shí)驗(yàn)的流程大致如下：一、了解同類分子間的內(nèi)聚力與異類分子間的附著力為何。二、改變介面與液面的作用角度，觀察兩者之間「接觸角」的變化情形。三、再逐一改變「液體」與「介面性質(zhì)」，觀察接觸角的變化情形。貳、研究動(dòng)機(jī)在求學(xué)過(guò)程中，生物課老師曾經(jīng)說(shuō)過(guò)，維持生命現(xiàn)象需要有陽(yáng)光、空氣、水等三個(gè)要素。在我們生活周遭，海洋就佔(zhàn)據(jù)了71%的地球表面，而水一直以來(lái)就是生命中不可或缺的重要因子。每當(dāng)我們裝杯水來(lái)喝時(shí)，我們偶然可以注意到水面、水與杯子交界之處有一些不尋?，F(xiàn)象，那便是我們所知道的內(nèi)聚力與附著力。因?yàn)檫@兩種力量的影響，我們以量筒計(jì)量水量時(shí)，必需平視水面下凹之處，作為水面的測(cè)量位置。若改計(jì)量水銀體積時(shí)，則必需平視水銀面上凸之處。但是，偶然間我們觀察到，如果水面與作用面不是呈現(xiàn)直角關(guān)係時(shí)，同樣的水與作用面間的作用力卻使得水面有機(jī)會(huì)呈現(xiàn)突起的情況。我們發(fā)現(xiàn)在某些角度會(huì)有較明顯的突起變化，同時(shí)在不同的液體會(huì)有不同的變化，而這就是液體的內(nèi)聚力與附著力兩種力量作用的結(jié)果。再藉由這些現(xiàn)象的觀察，我們希望能更加了解內(nèi)聚力與附著力的奧秘。

參、研究目的本實(shí)驗(yàn)的主要目的如下：一、改變「液面與介面」的作用角度，觀察「接觸角」的變化情形。二、改變「介面」與「液體」種類，觀察液體表面與介面間的「接觸角」變化情形。三、找出相對(duì)應(yīng)之內(nèi)聚力與附著力的關(guān)係。肆、研究設(shè)備及器材名稱規(guī)格/材質(zhì)數(shù)量/體積透明玻璃水缸16cm×16cm×16cm1長(zhǎng)條型木板10cm×30cm×0.5cm10鉚釘6透明膠帶塑膠1止滑膠帶PVC1易撕膠帶塑膠1水（添少許紅墨水）3600ml工業(yè)用酒精3600ml量角器1

伍、研究過(guò)程一、液體與固體間的介面現(xiàn)象（一）、同類分子間的作用力為內(nèi)聚力，而異類分子間的作用力為附著力：當(dāng)我們學(xué)習(xí)「液體界面現(xiàn)象」時(shí)知道，同類分子間的具有的吸引力，稱為內(nèi)聚力。而異類分子之間也具有吸引力，稱為附著力。仔細(xì)觀察裝在容器的液體表面，在中央部份固然為水平面，但是靠近容器壁處可見(jiàn)到液面往上彎曲或向下內(nèi)縮成一弧面。若以玻璃管盛裝液體，則管徑越愈小，這種呈新月?tīng)畹幕∶婢陀黠@。如果玻璃管盛裝水，則管內(nèi)的水柱面呈現(xiàn)周邊向上彎曲的弧面（圖一）。這是由於靠近管壁的水面層分子同時(shí)受到內(nèi)聚力合附著力作用的結(jié)果。（二）、內(nèi)聚力與附著力的關(guān)係：考慮當(dāng)玻璃管內(nèi)的水面呈水平面時(shí)，位在水面合管碧交界處A點(diǎn)的一個(gè)水分子的受力情形（如圖一所示）。F2為管壁分子吸引該水分子的附著力；F1為水體內(nèi)部的分子吸引該水分子的內(nèi)聚力。由於對(duì)稱關(guān)係，F(xiàn)1和管壁之間成45度角，應(yīng)此F1在水平面和鉛直面方向的分子量值各等於。如果F2＞，則兩力的合力R的方向指向管壁的外側(cè)。由於液體容易流動(dòng)，不能承受平行於其表面的橫向力，故在A點(diǎn)的液面必須垂直於合力R，因此平衡時(shí)的水面如圖一。圖中的θ角為在液體內(nèi)部接觸管壁的液面和管壁之間的夾角，稱為接觸角。接觸角決定於一體的種類以及接觸面的性質(zhì)，若F2＞，則接觸面為銳角。如果玻璃管內(nèi)所盛裝的液體為水銀，則管內(nèi)的水銀呈現(xiàn)週邊向下內(nèi)縮彎曲的弧面（如圖二所示）。圖二所示位為在水銀面和管壁交界處A點(diǎn)的一個(gè)水銀分子的受力情形。由於F2＜，所以合力指向管壁的內(nèi)側(cè)；平衡時(shí)的水銀面如圖二所示。由圖上可知，若F2＝，則接觸面為直角，即容器內(nèi)的水面完全呈水平；若F2＜，接觸角為鈍角?！緟⒖假Y料一】我們先以接觸角θ為銳角的情形來(lái)說(shuō)明。已知R為F1與F2的合力，附著力F2恆與管壁垂直，內(nèi)聚力F1為接觸角θ角平分線的方向，而A點(diǎn)的液面恆與R垂直。所以我們以管壁為y軸，F(xiàn)2的方向?yàn)閤軸，可知若將兩式相除，可得整理後得知F2＝F1我們可以令＝因此，當(dāng)θ＝90°時(shí)，＝?？芍好媾c管壁垂直，接觸角為直角。而當(dāng)我們將接觸角改為鈍角時(shí)發(fā)現(xiàn)，值亦為二、觀察液體表面與介面間接觸角的變化情形（一）、我發(fā)現(xiàn)當(dāng)介面與液面不是垂直時(shí)，接觸角會(huì)隨之改變。因此我們利用轉(zhuǎn)動(dòng)的木板，觀察木板兩側(cè)之接觸角，隨木板轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)的變化情形。（二）、我們首先利用水做為本次實(shí)驗(yàn)的液體，但為了方便觀察，我們添加了一點(diǎn)紅墨水。再將木板兩側(cè)包覆『透明膠帶』，依序改變木板與液面法線的夾角為『10°』、『20°』、『30°』、『40°』、『50°』、『60°』。觀察並記錄左右兩側(cè)接觸角θ的變化情形。計(jì)算對(duì)應(yīng)之值。（三）、接著我們改變木板的包覆材料，依序?yàn)椤褐够z帶』、『易撕膠帶』，重複步驟（二）。觀察並記錄左右兩側(cè)接觸角θ的變化情形。計(jì)算對(duì)應(yīng)之值。（四）最後，我們將使用的液體換成『工業(yè)用酒精』，並重複步驟（二）、（三）。觀察並記錄左右兩側(cè)接觸角θ的變化情形。計(jì)算對(duì)應(yīng)之值。

陸、研究結(jié)果一、水（添加少許紅墨水）（一）、木板表面包覆材質(zhì)：透明膠帶(圖一)木板與液面

法線的夾角(°)右側(cè)左側(cè)接觸角θ(°)值接觸角θ(°)值1026.72.1654573.80.832752049.11.2034195.50.675483075.20.8194898.50.660014083.20.7531098.70.659025094.10.6831199.50.6551160104.00.63451100.50.65033圖一紅墨水紅墨水&透明膠帶00.511.522.5102030405060木板與液面法線的夾角(°)ψ值右側(cè)左側(cè)（二）、木板表面包覆材質(zhì)：止滑膠帶(圖二)木板與液面

法線的夾角(°)右側(cè)左側(cè)接觸角θ(°)值接觸角θ(°)值1040.91.4310747.11.251412056.51.0563740.01.461903067.00.9059039.51.479654073.50.8656727.72.088725086.40.730419.65.9753060103.60.636255.610.23546圖二紅墨水紅墨水&止滑膠帶024681012102030405060木板與液面法線的夾角(°)ψ值右側(cè)左側(cè)（三）、木板表面包覆材質(zhì)：易撕膠帶(圖三)木板與液面

法線的夾角(°)右側(cè)左側(cè)接觸角θ(°)值接觸角θ(°)值1034.01.7101520.41.379552058.11.0297137.51.497873066.80.9083060.82.239644086.20.7317761.50.736595091.00.7010267.50.7659860108.40.6164768.71.49787圖三紅墨水紅墨水&易撕膠帶00.511.522.5102030405060木板與液面法線的夾角(°)ψ值右側(cè)左側(cè)

二、工業(yè)用酒精（一）、木板表面包覆材質(zhì)：透明膠帶(圖三)木板與液面

法線的夾角(°)右側(cè)左側(cè)接觸角θ(°)值接觸角θ(°)值1027.72.0887237.01.575772039.11.4941730.51.900923061.30.9807924.52.356524076.90.8040813.54.253975085.70.735128.17.0794560102.40.641577.57.64489圖三酒精酒精&透明膠帶0246810102030405060木板與液面法線的夾角(°)ψ值右側(cè)左側(cè)（二）、木板表面包覆材質(zhì)：止滑膠帶(圖四)木板與液面

法線的夾角(°)右側(cè)左側(cè)接觸角θ(°)值接觸角θ(°)值1047.01.2539243.21.358242058.21.0281036.91.579893082.90.7553335.01.662754093.00.6893028.02.0067850110.20.6096424.02.4048760117.10.5861015.53.70780圖四酒精酒精&止滑膠帶01234102030405060木板與液面法線的夾角(°)ψ值右側(cè)左側(cè)

（三）、木板表面包覆材質(zhì)：易撕膠帶(圖五)木板與液面

法線的夾角(°)右側(cè)左側(cè)接觸角θ(°)值接觸角θ(°)值1039.01.4978747.11.251412056.01.0650332.71.775903067.90.8953021.12.730854081.20.7683215.23.780545089.00.7133611.74.9055960112.50.601346.39.09915圖五酒精酒精&易撕膠帶0246810102030405060木板與液面法線的夾角(°)ψ值右側(cè)左側(cè)柒、討論針對(duì)本實(shí)驗(yàn)的結(jié)果，我們進(jìn)行了以下的討論：一、不同液體對(duì)角度所呈現(xiàn)的突起現(xiàn)象：（一）、就水＋(紅墨水)對(duì)角度而言：在某些介面下，我們可以發(fā)現(xiàn)，再大約50°~60°時(shí)，水會(huì)產(chǎn)生一邊凸起一邊凹向下的現(xiàn)象，但在10°~20°時(shí)，我們很難觀察出水的附著力，因此角度對(duì)附著力有著極大的關(guān)係。（二）、就酒精對(duì)角度而言：在某些介面下，我們可以發(fā)現(xiàn)，酒精在10°~20°的時(shí)候我們發(fā)現(xiàn)就有些微的凸起現(xiàn)象，在50°~60°我們發(fā)現(xiàn)非常之明顯的變化，但是酒精的給介面的附著力則與水有些不同，介面所呈現(xiàn)的變化非像水一樣一邊凹一邊凸，而是兩邊皆呈現(xiàn)凸起之狀況。二、不同液體對(duì)塑膠介面的影響：（一）、我們可以發(fā)現(xiàn)，水所給予塑膠介面的附著力沒(méi)有非常的明顯，因此我們?cè)囍褂酶鞣N墨水來(lái)改變水的顏色，最後發(fā)現(xiàn)水＋(紅墨水)其效果最明顯。（二）、就酒精對(duì)塑膠介面而言：我們可以發(fā)現(xiàn)，酒精對(duì)塑膠介面的凸起變化量遠(yuǎn)大於水，因此我們可以大膽的說(shuō)酒精的附著力比水大。三、液體對(duì)不同介面(透明塑膠膠帶、易撕膠帶、止滑膠帶)的附著力（一）、就液體透明塑膠膠帶而言：其表面較光滑，凸起得現(xiàn)象也較為明顯，因此水的附著力在摩擦力較小的狀況下較為明顯。（二）、就液體對(duì)易撕膠帶而言：就其表面而言，表面有許多小細(xì)紋，且材質(zhì)也比透明膠帶來(lái)的有摩擦力，水爬升的高度為次高。（三）、就液體對(duì)止滑膠帶而言：其表面極為粗糙，相當(dāng)於接近於顆粒的程度，因此水改變角度的情形也較不明顯。捌、結(jié)論經(jīng)由本次的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，對(duì)於溶液和介面的物理變化，我們可以獲得以下的結(jié)論：（一）、利用溶液和介面的角度進(jìn)行分析與討論，我們可以發(fā)現(xiàn)在大約50°~60°時(shí)，溶液給介面的附著力呈現(xiàn)最大值。（二）、而在液體方面經(jīng)由實(shí)驗(yàn)得知酒精的附著力明顯大於水。（三）、如果再觀察介面我們可以看的出來(lái)不同的介面對(duì)於溶液的附著力也會(huì)明顯有不同的凸起變化。（四）、塑膠透明膠帶在水中方面，而由實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)得知，當(dāng)木板轉(zhuǎn)動(dòng)角度越大，其左右的值相差越小。由易撕膠帶來(lái)討論之，其在水中左右側(cè)的值在30°左右時(shí)，其值相差最大。再由止滑膠帶討論之，其木板轉(zhuǎn)動(dòng)角度越大，左右的值相差